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§1-2 發(fā)動(dòng)機實(shí)際循環(huán)
發(fā)動(dòng)機理想循環(huán)加上各項損失后，
即可分析發(fā)動(dòng)機的實(shí)際循環(huán)。
一 工質(zhì)改變損失
（一） 工質(zhì)性質(zhì)
理論上: 理想氣體，雙原子氣體。
實(shí)際上: 燃燒前: 燃料+空氣；
燃燒后: 燃燒產(chǎn)物。
（二） 比熱
理論上: 定比熱
實(shí)際上: 溫度T ® 比熱C
（三） 高溫分解
例 C + O ® CO + 熱量 [+ O] ® CO2 + 熱量
其中 CO 為中間產(chǎn)物，CO2 為最終產(chǎn)物。若遇高溫，則會(huì )發(fā)生復分解反
應，即高溫分解:
CO2 ® CO + O - 熱量
這部分熱量雖然在膨脹過(guò)程中還可能會(huì )釋放出來(lái)，但由于活塞已接近下止
點(diǎn)，做功效果變差，熱效率下降。
二 傳熱、流動(dòng)損失
（一） 傳熱損失
理論上: 壓縮、膨脹過(guò)程為絕熱過(guò)程。
實(shí)際上: 大量熱量通過(guò)汽缸壁傳給冷卻水或空氣。
傳熱損失是發(fā)動(dòng)機中的最大損失，占總損失量的30%以上。因此，許多研
究者致力于開(kāi)發(fā)絕熱發(fā)動(dòng)機。
（二） 流動(dòng)損失
理論上: 閉口系統，沒(méi)有氣體流動(dòng)損失。
實(shí)際上: 進(jìn)、排氣節流沿程損失，缸內進(jìn)氣、擠壓、燃燒渦流損失。
三 換氣損失
理論上: 忽略進(jìn)、排氣過(guò)程。
實(shí)際上: 進(jìn)、排氣門(mén)提前開(kāi)啟，遲后關(guān)閉。而且有流動(dòng)阻力。
換氣損失中逆向循環(huán)所包圍的面積為泵氣損失。泵氣損失包含在換氣損失
之中。
四 時(shí)間損失
理論上: 定容加熱瞬間完成，定壓加熱速度與活塞運行速度密切配合。
實(shí)際上: 燃燒需要時(shí)間。
五 補燃損失
理論上: 加熱瞬間停止，膨脹過(guò)程無(wú)加熱。
實(shí)際上: 雖然大部分（80%以上）燃料在燃燒過(guò)程中燃燒掉，但仍有小部分燃
料會(huì )拖到膨脹線(xiàn)上才燃燒，做功效果變差，熱效率下降。
六 泄漏損失
理論上: 閉口系統，無(wú)泄漏。
實(shí)際上: 活塞氣環(huán)不會(huì )100%嚴密密封，總會(huì )有些氣體竄到曲軸箱中，造
成損失。
§1-3 熱平衡
總熱量: QT = GT hu 分別轉化為
一 有效功的熱量 QE
[ kJ/h ] （ 1 kw/h = kJ ）
只有這部分熱量做了功，是有用的，所以希望越大越好。一般
柴油機: 30～40% ； 汽油機: 20～30%。
令
二 傳遞給冷卻介質(zhì)的熱量 QS
其中Gs－發(fā)動(dòng)機冷卻介質(zhì)的每小時(shí)流量 [ kg/h ]
cs－冷卻介質(zhì)比熱 [ kJ/kg·℃ ]
t1 ，t2 －冷卻介質(zhì)的進(jìn)、出口溫度 [℃]
三 廢氣帶走的熱量Qr
其中Gr－燃料量 [ kg/h ]
Gk－空氣量 [ kg/h ]
cpr－廢氣比熱 [ kJ/kg·℃ ]
cp－空氣比熱 [ kJ/kg·℃ ]
t1 ，t2 －進(jìn)、排氣溫度 [℃]
四 燃料不完全燃燒的熱損失QB
其中hr－燃料效率
五 其它熱量損失QL
發(fā)動(dòng)機熱平衡方程式:
§1-4 指示指標
p-V圖 p-φ圖
發(fā)動(dòng)機性能指標: 指示指標，有效指標
指示指標: 以工質(zhì)在汽缸內對活塞做功為基礎，評價(jià)工作循環(huán)的質(zhì)量。
有效指標: 以曲軸上得到的凈功率為基礎，評價(jià)整機性能。
示功圖: 發(fā)動(dòng)機缸內壓力p隨汽缸容積V （p-V圖） 或曲軸轉角f （p-f圖） 變化的圖示。
一 指示功和平均指示壓力
（一） 指示功
一個(gè)循環(huán)工質(zhì)對活塞所做的有用功。
應該：非增壓： 增壓：
因為: 不容易測量, 實(shí)際將 歸到機械損失中考慮。
所以:
其中 － 橫、縱座標比例尺
指示功大，說(shuō)明 ○汽缸工作容積大 ○熱功轉換有效程度大。為突出后
者，比較不同大小發(fā)動(dòng)機的熱功轉換有效程度，引入平均有效壓力的概念。
（二） 平均指示壓力
單位汽缸工作容積所做的指示功。
（假想參數）
其中 －每缸工作容積。
686～981 [ kpa ]
784～1180 [ kpa ]
二 指示功率
單位時(shí)間所做的指示功。
若: 缸數i，每缸工作容積V [ m ]，沖程數 t，平均指示壓力 p [ p ]，
轉速 n [ r/min ]。則
[ w ]
[ kw ]
若: 每缸工作容積V [ L ]，平均指示壓力 p [ bar ]。則
[ kw ]
三 指示比油耗和指示熱效率
（一） 指示比油耗
單位指示功率的耗油量。
[ g/kw·h ]
－每小時(shí)耗油量 [ kg/h ]
（二） 指示熱效率
－做 指示功所消耗的熱量。
－燃料的低熱值。
0.43～0.50 =170～200 [ g/kw·h ]
0.25～0.40 =230～340 [ g/kw·h ]
§1-5 有效指標
一 有效功率和機械損失功率
（一） 有效功率
單位時(shí)間所做的有效功。
[ kw ]
其中 －平均有效壓力。
（二） 機械損失功率
發(fā)動(dòng)機內部損耗的功率。
機械損失包括: 發(fā)動(dòng)機內部摩擦損失；驅動(dòng)附件損耗，如: 機油泵、燃油泵、
[ kw ]
其中 －平均機械損失壓力。
二 有效扭矩
功率輸出軸輸出的扭矩。
[ w ]
[ kw ]
[ kw ]
三 平均有效壓力
單位汽缸工作容積所做的有效功。
由于 [ kw ]
[ kw ]
所以
[ kpa ]
588～883 [ kpa ] 588～981 [ kpa ]
四 升功率和比重量
（一） 升功率
單位汽缸工作容積所發(fā)出的功率。
[ kw/l ]
（二） 比重量
發(fā)動(dòng)機凈重量G與所發(fā)出有效功率 的比值。
[ kg/kw ]
， ¯ ® 發(fā)動(dòng)機強化程度高。
11～26 [ kw/l ] 4～9 [ kg/kw ]
9～15 [ kw/l ] 5.5～16 [ kg/kw ]
22～55 [kw/l ] 1.35～4 [ kg/kw ]
可見(jiàn)，汽油機的強化程度要比柴油機的高。
五 有效比油耗和有效熱效率
（一） 有效比油耗
單位有效功率的耗油量。
[ g/kw·h ]
－每小時(shí)耗油量 [ kg/h ]
（二） 有效熱效率
－做 有效功所消耗的熱量。
0.30～0.40 =218～285 [ g/kw·h ]
0.20～0.30 =285～380 [ g/kw·h ]
由此可見(jiàn)，柴油機的熱效率比汽油機的高，經(jīng)濟性比汽油機好。
§1-6 機械損失
一 機械效率
對于不同類(lèi)型的發(fā)動(dòng)機，絕對損失大的，其相對損失卻不一定也大。必須有
一個(gè)衡量標準，故引進(jìn)機械效率的概念。
有效功率與指示功率的比值。
性能好，所以應盡量提高 。
0.7～0.85 0.7～0.9
二 機械損失的測定
（一） 倒拖法－只能在電力測功機上試驗
在壓縮比不很高的汽油機上得到廣泛應用。
發(fā)動(dòng)機與電力測功機相連。起動(dòng)發(fā)動(dòng)機，冷卻水溫度、機油溫度達正常值。然后使發(fā)動(dòng)機在給定工況下穩定運轉。切斷發(fā)動(dòng)機的供油 （ ）。
將電力測功機轉換為電動(dòng)機使用，在給定轉速下倒拖發(fā)動(dòng)機，并維持冷卻水溫度和機油溫度不變。由于此時(shí) ，因此從電力測功機上所測得的倒拖功率 即為發(fā)動(dòng)機在該工況下的機械損失功率 。
（二） 滅缸法－僅適用于多缸機
當發(fā)動(dòng)機調整到以給定工況穩定運轉后，先測出整個(gè)發(fā)動(dòng)機的有效功率 。之后，在柴油機油門(mén)拉桿或齒條位置、或汽油機節氣門(mén)開(kāi)度固定不動(dòng)的情況下，停止向某一汽缸供油或點(diǎn)火。調整測功機，使發(fā)動(dòng)機恢復到原來(lái)的轉速，重新測定有效功率 （其余五個(gè)汽缸的有效功率）， 必然小于 （一缸熄火），兩者之差即為滅掉缸的指示功率 。因為 。逐次滅缸，則整臺發(fā)動(dòng)機的指示功率為 ，其中x為總缸數。
如果各缸負荷均勻，則僅測一個(gè)缸，即滅火一次即可， 。這樣，整個(gè)發(fā)動(dòng)機的機械損失功率為 ，機械效率為 。
其它還有示功圖法，油耗線(xiàn)法等。
三 影響機械效率的因素
(一) 轉速
其中 －活塞平均運行速度。
與 幾乎呈直線(xiàn)關(guān)系。 與n似呈二次方關(guān)系。
n ® □ 慣性力 ® 活塞對缸壁的側壓力 ® 軸承負荷
□ 各摩擦副相對速度 ® 摩擦損失
□ 泵氣損失，驅動(dòng)附件損耗
® ® ¯
若要提高轉速來(lái)強化發(fā)動(dòng)機，則 將成為主要障礙之一。
（二） 負荷
發(fā)動(dòng)機的負荷 □ 柴油機: 油門(mén)拉桿或齒條位置
□ 汽油機: 節氣門(mén)開(kāi)度
轉速n一定，負荷¯ 時(shí)，發(fā)動(dòng)機燃燒劇烈程度¯，平均指示壓力 ¯；而由于轉速不變，平均機械損失壓力 基本保持不變。則 ，機械效率下降。
當發(fā)動(dòng)機怠速運轉時(shí)，有效功率 ，指示功率 全部用來(lái)克服機械損失功率 。即 ，因此， 。
由于車(chē)用柴油機普遍在高轉速、較低負荷下工作，機械效率下降嚴重。因此，機械效率對于車(chē)用柴油機尤為重要。
（三） 潤滑油品質(zhì)和冷卻水溫度
潤滑油粘度影響潤滑效果
潤滑油溫度影響潤滑油粘度
冷卻水溫度影響潤滑油溫度
即冷卻水、潤滑油溫度通過(guò)潤滑油粘度間接影響潤滑效果。
1 潤滑油粘度（牌號） ¯；冷卻水溫度 ® 潤滑油溫度 ® 潤滑油粘度¯
® 潤滑效果 ® 摩擦¯ ® ¯ ®
2 潤滑油粘度（牌號） ¯¯；冷卻水溫度 ® 潤滑油溫度 ® 潤滑油粘度¯¯
油膜破裂趨勢 ® 摩擦 ® ® ¯¯
3 潤滑油中雜質(zhì) ® 摩擦 ® ® ¯
要求: 定期保養、清洗機油濾清器， 5000～10000公里換機油。
§1-7 燃燒熱化學(xué)
一 燃料的完全燃燒
（一） 理論空氣量
1 目的: 1 kg燃料完全燃燒所需要的空氣量
2 已知條件: 1 kg燃料中所含 kg 碳， kg 氫氣， kg氧氣
汽油: [ kg/kg ]， [ kg/kg ]， [ kg/kg ]
柴油: [ kg/kg ]， [ kgkg ]， [ kg/kg ]
3 化學(xué)反應方程式
4 需要總的 量
1 kmol 1 kmol 1 kmol 1 kmol kmol 1 kmol
1 kg kmol kmol 1 kg kmol kmol
kg kmol kmol kg kmol kmol
5 燃料中所含的 量
[ kg ] = [ kmol ]
6 所需空氣中的 量 = 總的 量－燃料中所含的 量
7 所需空氣量 （目的）
（1） kmol
空氣中氧氣成分約占21%，所以
[ kmol/kg ]
（2） kg
空氣的折合分子量為28.95，即 1 kmol 空氣 = 28.95 kg 空氣，所以
[ kg/kg ]
（3）
1 kmol 空氣 = 22.4 空氣，所以
[ /kg ]
（二） 過(guò)量空氣系數和空燃比
1 過(guò)量空氣系數 a
表示混合氣的濃稀程度。a 大 ® 混合氣??；a 小 ® 混合氣濃
一般，柴油機: a > 1；汽油機: a £ 1。
2 空燃比 A/F
表示混合氣的濃稀程度。A/F 大 ® 混合氣??；A/F 小 ® 混合氣濃
（三） 分子變更系數
1 理論分子變更系數
® 容積變化大 ® 膨脹做功好 ®
（1） 完全燃燒:
（2） 不完全燃燒:
2 實(shí)際分子變更系數
其中 －1 kg 燃料燃燒后殘余廢氣的摩爾數。 －殘余廢氣系數。
二 燃料的不完全燃燒
（一） a £ 1－汽油機
1 假設燃料中的C 燃燒全部生成了 和 。其中 是中間產(chǎn)物，即不完
全燃燒產(chǎn)物。 是最終產(chǎn)物，即完全燃燒產(chǎn)物。
2 化學(xué)反應方程式
3 需要總的 量
kg kmol kmol kg kmol kmol
kg kmol kmol
kg kmol kmol
4 燃料中所含的 量
[ kg ] = [ kmol ]
5 空氣中的 量 = 總的 量－燃料中所含的 量
所以
6 分析
（1）當 時(shí)，a = 1，
（2）a¯ ®
（3）a¯ ® 使 時(shí)
，C全部生成CO。此時(shí)的過(guò)量空氣系數稱(chēng)為臨界a值。記為 。
所以
（4）a¯¯ ®
此時(shí)理論上 ，析出炭粒。
一般柴油機的 0.6～0.72。
（二） a > 1－柴油機
混合氣混合不均勻，局部過(guò)濃或過(guò)稀，造成燃燒不完全。缸內情況十分復雜。
三 燃料和可燃混合氣的熱值
（一） 燃料的熱值
1 kg 燃料完全燃燒所產(chǎn)生的熱量 [ kJ ]。
加入水的汽化潛熱的熱值－高熱值
不加入水的汽化潛熱的熱值－低熱值
發(fā)動(dòng)機缸內高溫，水只能以氣態(tài)存在，故應取不加入水的汽化潛熱的熱值，
即低熱值。
汽油: 44100 [ kJ/kg ]；柴油: 42500 [ kJ/kg ]
（二） 可燃混合氣的熱值
[ kJ/kmol ]
§1-8 發(fā)動(dòng)機混合氣的著(zhù)火和燃燒方式 p
一 混合氣的著(zhù)火
（一） 柴油機－低溫多級自燃
1 階段－混合階段
在壓縮過(guò)程終了時(shí)，燃料噴入汽缸內形成
可燃混合氣。燃料遇到溫度較高的空氣，開(kāi)始
氧化，但速度緩慢，示功圖上的壓縮線(xiàn)沒(méi)有明
顯的變化?；旌想A段，為著(zhù)火做準備。
2 階段－第一級反應
燃燒的實(shí)質(zhì)是燃料的氧化反應，當反應速
度很快時(shí)，火焰就會(huì )出現。經(jīng)過(guò) 時(shí)間后，反
應加劇，出現冷火焰，缸內壓力超過(guò)壓縮壓力。在這一階段，反應生成醛類(lèi)、過(guò)氧化物和一氧化碳等中間產(chǎn)物。要求混合氣較濃，a = 0.4～0.5。
3 階段－第二級反應
溫度、壓力升高較大，產(chǎn)生許多化學(xué)反應的活性中心，出現藍火焰?；旌蠚庀〉枚?，a略小于1。
4 時(shí)間后－第三級反應
活性中心劇增，化學(xué)反應加速，熱積累劇烈，發(fā)生爆炸，出現熱火焰?；旌蠚飧?，a » 1。
－著(zhù)火延遲期
（二） 汽油機－高溫單級點(diǎn)燃
1 壓縮的是燃料與空氣的混合氣體, 在此過(guò)程中, 已經(jīng)進(jìn)行了一些化學(xué)反應。
2 火花點(diǎn)火, 局部溫度高達20000℃以上, 該處燃料分子直接分裂成大量的自由原子與自由基, 迅速反應出現熱火焰, 瞬間擴大到整個(gè)燃燒室內。所以, 汽油機著(zhù)火過(guò)程：
壓縮混合氣 ® 點(diǎn)火 （經(jīng)短暫著(zhù)火延遲期） ® 熱火焰
三 燃燒方式
（一） 同時(shí)爆炸燃燒
取某一部分為系統, 著(zhù)火前后整個(gè)系統各個(gè)部分的相完全均勻一致。即相只隨 t（時(shí)間）座標變化, 而不隨 x （位移）座標變化, 為單相系, 均勻系。
柴油機上, 由于混合氣分配不是十分均勻, 總有某一部分混合氣最先著(zhù)火（一般在噴油嘴附近）, 取這一部分為系統, 則系統內實(shí)現的就是同時(shí)爆炸燃燒。
汽油機上, 由于火焰有傳播速度（雖然很快, 但相對同時(shí)爆炸燃燒卻很?。? 傳播逐次進(jìn)行, 故顯然不是同時(shí)爆炸燃燒。但火花塞間隙處的少量混合氣在電火花作用下, 可實(shí)現同時(shí)爆炸燃燒，從而形成火焰中心。
（二） 逐漸爆炸燃燒
汽油機－火焰傳播。兩相系－混合氣相 （未燃區），燃燒產(chǎn)物相 （已燃區）。
加熱從火花塞開(kāi)始， 緊靠火花塞的那一部分混合氣首先被加熱, 使氧化或活性中心增多, 發(fā)生燃燒。燃燒又加熱下一層……, 一層一層傳播。燃燒主要在火焰前鋒面內進(jìn)行?；鹧媲颁h面前方的未燃區中是混合氣，火焰前鋒面后方的已燃區中為燃燒產(chǎn)物和一小部分在火焰前鋒面中沒(méi)有燃燒掉的燃料繼續燃燒。
（三） 擴散燃燒
柴油機的燃燒方式, 三相－燃料相, 空氣相, 燃燒產(chǎn)物相。
柴油燃點(diǎn)比汽油低, 但在日常生活中汽油卻比柴油易燃, 原因就在于汽油的揮發(fā)性好, 油與空氣形成混合氣較快, 物理準備過(guò)程已經(jīng)就緒, 一點(diǎn)即燃。柴油機中燃燒的快慢卻主要取決于物理準備過(guò)程進(jìn)行的快慢。油滴遇熱蒸發(fā)形成燃料蒸汽, 然后才能燃燒, 并非油滴與空氣接觸就可燃燒。為防止燃燒產(chǎn)物將油滴與空氣隔開(kāi), 將組織空氣相對于油滴的氣流運動(dòng), 將燃燒產(chǎn)物拋在后面。
